变频器工作原理

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,变频器,一、变频器概述,三相交流异步电机的结构简单、坚固、运行可靠、价格低廉，在冶金、建材、矿山、化工等重工业领域发挥着巨大作用。人们希望在许多场合下能够用可调速的交流电机来代替直流电机，从而降低成本，提高运行的可靠性。如果实现交流调速，每台电机将节能,20%,以上，而且在恒转矩条件下，能降低轴上的输出功率，既提高了电机效率，又可获得节能效果。,异步电机调速系统的种类很多，但是效率很高、性能最好、应用最广的是变频调速，它可以构成高动态性能的交流调速系统来取代直流调速系统，是交流调速的 主要发展方向。变频调速是以变频器向交流电机供电，并构成开环或闭环系统，从而实现对交流电机的宽范围内无级调速。变频器可把固定电压、固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电。,随着,电力电子技术,的发展，出现了高耐压、大功率、具有自关断的全控型电力电子器件，它具有驱动功率小、开关频率高等特点，应用在逆变电路中可极大提高变频的 性能。,脉宽调制（,PWM),变频就是把通讯系统中的调制技术推广应用到交流变频中，可使变频器具有良好的输出波形，降低了噪声和谐波，提高了系统的性能。,采用,全数字微机控制技术,，使变频器减小了体积、降低了成本、提高了效率、增强了功能。,以上三种技术的应用，使电机基本能够平稳运行、无噪声、无抖动。交流变频调速已成为电气调速传动的主流。目前变频器不但在传统的电力拖动系统中得到了广泛的应用，而且已扩展到了工业生产的所有领域，以及空调器、洗衣机、电冰箱等家电中。,一、变频器概述,（一）变频器的功用,变频 器 的 功用是将频率固定,(,通常为工频,50HZ),的交流点,(,三相的或单相的,),交换成频率连续可调的三相交流电源。,如下图,2. 1,所示，变频器的输入端,(R,S ,T),接至频率固定的三相交流电源，输出端,(U,V, W),输出的是频率在一定范围内连续可调的三相交流电，接至电机。,VVVF(Variation Voltage Variation Frequency),频率可变、电压可变。,变频器概述,（二）变频器主要功能,一、软启动马达,二、调频调压调电流,三、空（轻）载时能在维持转速的时候减少电流（节能）,变频器总体来说用在启动频繁的马达上，节能效果明显！,（三）变频器的核心是电力电子器件及控制方式,1.,电力电子器件的发展,20,世 纪,80,年代中期以前，变频装置功率回路主要采用第一代电力电子器件，以晶闸管元件为主，这种装置的效率、可靠性、成本、体积均无法与同容量的直流调速装置相比。,80,年代中期以后采用第二代电力电子器件,GTR. CTO, VDMOS-IGBT,等制造的变频装置在性能和价格比上可以与直流调速装置相媲美。,随着向大电流、高电压、高频化、集成化、模块化方向继续发展，第三代电力电子器件是,20,世纪,90,年代制造变频装置的主流产品，中小功率的变频调速装置,(1-1000kw),主要采用,IGBT,，大功率的变频调速装置,(1000-10000kW),采用,GTO,器件。,20,世纪,90,年代末至今，电力电子器件的发展进入了第四代，如高压,IGBT, IGCT, IEGT, SGCT,、智能功率模块,IPM,等。,2.,控制方式,变频器用不同的控制方式，得到的调速性能 、特性及用途是不同的。,控制方式大体分为开环控制及闭环控制。,开环控制有,U/f,电压与频率成正比的控制方式,闭环有转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制。,现在矢量控制可以实现与直流机电枢电流控制相媲美，直接转矩控制直接取交流电动机参数进行控制，其方便准确精度高。,二、变频器基本原理,（一） 变频调速的构成,要实现变频调速，必须有频率可调的交流电源，但电力系统却只能提供固定频率的交流电源，因此需要一套变频装置来完成变频的任务。历史上曾出现过旋转变频机组，但由于存在许多缺点而现在很少使用。现代的变频器都是由大功率电子器件构成,的。相对于旋转变频机组，被称为静止式变频装置，是构成变频调速系统的中心环节。,一个变频调速系统主要由静止式变频装置、交流电动机和控制电路,3,大部分组成，,静止式变频装置的输入是三相式单相恒频、恒压电源，输出则是频率和电压均可调的三相交流电。至于控制电路，变频调速系统要比直流调速系统和其他交流调速系统复杂得多，这是由于被控对象,感应电动机本身的电磁关系以及变频器的控制均较复杂所致。因此变频调速系统的控制任务大多是由微处理机承担。,（二）变频调速的基本要求,为了充分利用铁心材料，在设计电动机时，总是让电动机在额定频率和额定电压下工作时的气隙磁通接近磁饱和值。因此，在电动机调速时，希望保持每极磁通量为额定值不变。如果过分增大磁通又会使铁心过分饱和，从而导致励磁电流急剧增加，绕组过分发热，功率因数降低，严重时甚至会因绕组过热而损坏电动机。故而希望在频率变化时仍保持磁通恒定，即实现恒磁通变频调速，这样，调速时才能保持电动机的最大转矩不变。,（三）变频器的分类,1.,按变换环节分,:,(1),交,-,交变频器,把频率固定的交流电源直接变换成频率可调的交流电，又称直接式变频器。,(2),交,-,直,-,交变频器,先把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率连续可调的交流电，又称间接式变频器。,2.,按电压的调制方式分,:,(1) PAM (,脉幅调制,),变频器,输出电压的大小通过改变直流电压的大小来进行调制。在中小容量变频器中，这种方式几近绝迹。,(2) PWM (,脉宽调制,),变频器,输出电压的大小通过改变输出脉冲的占空比来进行调制。,目前普通应用的是占空比按正弦规律安排的正弦脉宽调制,(SPWM),方式。,3.,按直流环节的储能方式分（对交直交）,:,(1),电流型,直流环节的储能元件是电感线圈,LF,如图所示。,(2),电压型,直流环节的储能元件是电容器,CF,如图所示。,（四）交,-,交与交,-,直,-,交变频器,4.1,交,-,交变频器工作原理,4.2,交,-,直,-,交变频器工作原理,4.3,交,-,交与交,-,直,-,交变频器的比较,交交变频,交交变频电路，也称周波变流器,把电网频率的交流电变成可调频率的交流电的变流电路，属于直接变频电路,。,广泛用于大功率交流电动机调速传动系统，实际使用的主要是三相输出交交变频电路。（,由三组输出电压相位各差,120,的单相交交变频电路组成）。,4.1,交,-,交变频器工作原理,单相交交变频电路原理图和输出电压波形,三相输入单相输出的交交变频电路由,P,组和,N,组反并联的晶闸管变流电路构成，其结构如图,1(a),所示,.,结合图,1(a),，下面分析三相输入单相输出的交交变频电路的工作原理：,P,组工作时，负载电流,io,为正；,N,组工作时，,io,为负；两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电；改变切换频率，就可改变输出频率,wo,；改变变流电路的控制角,，就可以改变交流输出电压幅值；为使,uo,波形接近正弦，可按正弦规律对,角进行调制，在半个周期内让,P,组,角按正弦规律从,90,减到,0,或某个值，再增加到,90,，每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律从零增至最高，再减到零。,uo,由若干段电源电压拼接而成，在,uo,一个周期内，包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波如图,1(b),。,4.2,交,-,直,-,交变频器,其结构如下，它由主电路和控制电路组成。,交,-,直,-,交变频器主电路,目前，通用型变频器绝大多数是交,直,交型变频器，通常尤以电压器变频器为通用，其主电路图（见图,1.1,），它是变频器的核心电路，由整流电路（交,直交换），直流滤波电路（能耗电路）及逆变电路（直,交变换）组成。,一、交直变换部分,1,、,VD1,VD6,组成三相整流桥，将交流变换为直流。,2,、滤波电容器,CF,作用：,（,1,）滤除全波整流后的电压纹波；,（,2,）当负载变化时，使直流电压保持平衡。,因为受电容量和耐压的限制，滤波电路通常由若干个电容器并联成一组，又由两个电容器组串联而成。如图中的,CF1,和,CF2,。由于两组电容特性不可能完全相同，在每组电容组上并联一个阻值相等的分压电阻,RC1,和,RC2,。,3,、限流电阻,RL,和开关,SL,RL,作用：变频器刚合上闸瞬间冲击电流比较大，其作用就是在合上闸后的一段时间内，电流流经,RL,，限制冲击电流，将电容,CF,的充电电流限制在一定范围内。,SL,作用：当,CF,充电到一定电压，,SL,闭合，将,RL,短路。一些变频器使用晶闸管代替（如虚线所示）。,4,、电源指示,HL,作用：除作为变频器通电指示外，还作为变频器断电后，变频器是否有电的指示（灯灭后才能进行拆线等操作）。,二、能耗电路部分,1,、制动电阻,RB,变频器在频率下降的过程中，将处于再生制动状态，回馈的电能将存贮在电容,CF,中，使直流电压不断上升，甚至达到十分危险的程度。,RB,的作用就是将这部分回馈能量消耗掉。一些变频器此电阻是外接的，都有外接端子（如,DB,，,DB,）。,2,、制动单元,VB,由,GTR,或,IGBT,及其驱动电路构成。其作用是为放电电流,IB,流经,RB,提供通路。,三、直交变换部分,1,、逆变管,V1,V6,组成逆变桥，把,VD1,VD6,整流的直流电逆变为交流电。这是变频器的核心部分。,2,、续流二极管,VD7,VD12,作用：（,1,）电机是感性负载，其电流中有无功分量，为无功电流返回直流电源提供“通道”；,（,2,）频率下降，电机处于再生制动状态时，再生电流通过,VD7,VD12,整流后返回给直流电路；,（,3,）,V1,V6,逆变过程中，同一桥臂的两个逆变管不停地处于导通和截止状态。在这个换相过程中，也需要,VD7,VD12,提供通路。,四、缓冲电路,缓冲电路如图,2,所示。,逆变管在导通和判断的瞬间，其电压和电流的变化率是比较大的，可能全逆变管受到损害。因此，每个逆变管旁边还要接入缓冲电路，其作用就是减缓电压和电流的变化率。,1,、,C01,C06,逆变管,V1,V6,每次由导通到截止的判断瞬间，集电极,C,和发射极,E,间的电压将迅速地由,0V,上升为直流电压,UD,。过高的电压增长率将导致逆变管的损坏。,C01,C06,的作用就是减小逆变管由导通到截止时过高的电压增长率，防止逆变损坏。,2,、,R01,R06,逆变管,V1,V6,由导通到截止的瞬间，,C01,C06,所充的电压（等于,UD,）将,V1,V6,放电。此放电电流的初值很大，并且叠加在负载电流上，导致逆变管的损坏。,R01,R06,的作用就是限制逆变管在导通瞬间,C01,C06,的放电电流。,3,、,VD01,VD06,R01,R06,的接入，又会影响到,C01,C06,在,V1,V6,关断时减小电压增长率的效果。,VD01,VD06,接入后，在,V1,V6,关断过程中，使,R01,R06,不起作用；而在,V1,V6,接通过程中，又迫使,C01,C06,的放电电流流经,R01,R06,。,交,-,直,-,交变频器控制电路,控制电路由运算电路、检测电路、控制信号的输入,/,输出电路和驱动电路等构成，其主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及各种保护功能等，可采用模拟控制或数字控制。,高性能的变压器目前已采用嵌入式微型计算机进行数字控制，采用尽可能的硬件电路，主要靠软件来完成各种功能。,按照不同的控制方式，又可将间接变频装置分为下图中的,(a),、,(b),、,(c)3,种。,1.,可控整流器变压、变频器变频,调压和调频分别在两个环节上进行，两者要在控制电路上协调配合这种装置结构简 ，控制方便，输出环节用由晶闸管,(,或其他电子器件,),组成的,3,相,6,拍变频器,(,每周换流,6,次,),，但由于输入环节采用可控整流器，在低压深控时电网端的功率因数较低，还将产生较大的谐波成分，一般用于电压变化不太大的场合,2.,直流斩波器调压、变频器变频,采用不可摔整流器，保证变频器的电网侧有较高的功率因数，在直流环节上设置直流斩波器完成电压调节。这种调压方法有效地提高了变频器电网侧的功率因数，并能方便灵活地调节电压，但增加了一个电能变换环节,斩波器，该方法仍有谐波较大的问题。,3.,变频器自身调压、变频,采用不可控整流器，通过变频器自身的电子开关进行斩波控制，使输出电压为脉冲列。改变输出电压脉冲列的脉冲宽度，便可达到调节输出电压的目的。这种方法称为脉宽调制,(PWM),。因采用不可控整流，功率因数高；因用,PWM,逆变，谐波可以大大减少。谐波减少的程度取决于开关频率，而开关频率则受器件开关时问的限制。,若仍采用普通晶闸管，开关的频率并不能有效地提高，只有采用全控型器件，开关频率才能得以大大提高，输出波形几乎可以得到非常逼真的正弦波，因而又称正弦波脉宽调制,(SPWM),变频器。该变频器将变频和调 功能集于一身，主电路不用附加其他装置，结构简单，性能优良。成为当前最有发展前途的一种结构形式。,4.3,交,-,交与交,-,直,-,交变频器之比较交,-,交变频器 交,-,直,-,交变频器,过载能力强,效率高输出波形好,但输出频率低,使用功率器件多,输入无功功率大,高次谐波对电网影响大,结构简单,输出频率变化范围大,功率因数高,谐波易于消除,可使用各种新型大功率器件,（五）,PWM,控制技术,PWM,控制技术一直是变频技术的核心技术之一。从最初采用模拟电路完成,三角调制波和参考正弦波的比较，产生正弦脉宽调制,SPWM,信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的,PWM,信号输出，,PWM,在各种应用场合仍占主导地位，并一直是人们研究的热点。由于,PWM,可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点，因此在交流传动乃至其他能量交换系统中得到广泛的应用。,PWM,控制技术大致可以分为三类：正弦,PWM,，优化,PWM,，随机,PWM,。,正弦,PWM,具有改善输出电压和电流波形、降低电源系统谐波的多重,PWM,技术，在大功率变频器中有其独特的优势；,优化,PWM,所追求的则是实现电流谐波畸变率最小、电压利用率最高、效率最优、转矩脉动最小及其他特定优化目标；,随机,PWM,原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声，尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。,正弦波脉宽调制,(SPWM),变频器,SPWM,变频器结构简单，性能优良，主电路不用附加其他装置，已成为当前最有发展前途的一种结构形式。图,3,所示为,SPWM,变频器的电路原理，该电路的主要特点是：,(1),主电路只有一个可控的功率环节，简化了结构；,(2),使用了不可控的整流器，使电网功率因数与变频器输出电压的大小无关而接近于,1,；,(3),变频器在调频的同时实现调压，而与中间直流环节的元件参数无关，加快了系统的动态响应；,(4),可获得比常规,6,拍阶梯波更好的输出电压波形，能抑制或消除低次谐波，使负载电动机可在近似正弦波的交变电压下运行，转矩脉动小，大大扩展了拖动系统调速范围，并提高了系统的性能。,SPWM,变频器的工作原理,所谓正弦波脉宽调制,(SPWM),就是把正弦波等效为一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，如图,4,所示，等效的原则是每一区间的面积相等。,如果把一个正弦半波分作,n,等份,(,图中,n=12),，然后把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等份的中点重合，而宽度是按正弦规律变化的如图,4(b),所示。这样，由,n,个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦半周等效，称作,SPWM,波形。同样，正弦波负半周也可用相同方法与一系列负脉冲波来等效。,图,4(b),所示的一系列脉冲波形就是所期望的变频器输出,SPWM,波形。可以看到，由于各脉冲的幅值相等，所以变频器可由恒定的直流电源供电，即这种交一直一交变频器中的整流器采用不可控的二极管整流器即可，变频器输出脉冲的幅值就是整流器的输出电压幅值。当变频器各开关器件都是在理想状态下工作时，驱动相应开关器件的信号也应为与图,4(b),所示形状相似的一系列脉冲波形。,5.2,异步调制和同步调制,根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，,PWM,调制方式分为,异步调制,和,同步调制,。,通常保持,f,c,固定不变，当,f,r,变化时，载波比,N,是变化的,在信号波的半周期内，,PWM,波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后,1/4,周期的脉冲也不对称,当,f,r,较低时，,N,较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小,当,f,r,增高时，,N,减小，一周期内的脉冲数减少，,PWM,脉冲不对称的影响就变大,载波比,载波频率,f,c,与调制信号频率,f,r,之比，,N,=,f,c,/,f,r,1,）,异步调制,载波信号和调制信号不同步的调制方式,5.2,异步调制和同步调制,2,）,同步调制,载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频时,使载波与信号波保持同步，即,N,等于常数。,u,c,u,rU,u,rV,u,rW,u,u,UN,u,VN,O,t,t,t,t,O,O,O,u,WN,2,U,d,-,2,U,d,图,6-10,同步调制三相,PWM,波形,基本同步调制方式，,f,r,变化时,N,不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。,三相电路中公用一个三角波载波，且取,N,为,3,的整数倍，使三相输出对称。,为使一相的,PWM,波正负半周镜对称，,N,应取奇数。,f,r,很低时，,f,c,也很低，由调制带来的谐波不易滤除。,f,r,很高时，,f,c,会过高，使开关器件难以承受。,5.2,异步调制和同步调制,3,）,分段同步调制,异步调制和同步调制的综合应用。,把整个,f,r,范围划分成若干个频段，每个频段内保持,N,恒定，不同频段的,N,不同。,在,f,r,高的频段采用较低的,N,，使载波频率不致过高；在,f,r,低的频段采用较高的,N,，使载波频率不致过低。,为防止,f,c,在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法。,同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现。,可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。,图,6-11,分段同步调制方式举例,5.3,规则采样法,1,）自然采样法：,按照,SPWM,控制的基本原理产生的,PWM,波的方法，其求解复杂，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多。,u,c,u,O,t,u,r,T,c,A,D,B,O,t,u,o,t,A,t,D,t,B,d,d,d,2,d,2,d,图,6-12,规则采样法,2,）规则采样法,工程实用方法，效果接近自然采 样法，计算,量小得多。,5.3,规则采样法,三角波两个正峰值之间为一个采样周期,T,c,。,自然采样法中，脉冲中点不和三角波,(,负峰点,),重合。,规则采样法使两者重合，使计算大为减化。,如图所示确定,A,、,B,点，在,t,A,和,t,B,时刻控制开关器件的通断。,脉冲宽度,d,和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。,规则采样法,原理,u,c,u,O,t,u,r,T,c,A,D,B,O,t,u,o,t,A,t,D,t,B,d,d,d,2,d,2,d,图,6-12,规则采样法,6.2.3,规则采样法,规则采样法计算公式推导,正弦调制信号波,三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度,(6-7),a,称为,调制度,，,0,a,1,；,w,r,为信号波角频率,从图,6-12,得,(6-6),u,c,u,O,t,u,r,T,c,A,D,B,O,t,u,o,t,A,t,D,t,B,d,d,d,2,d,2,d,图,6-12,规则采样法,5.3,规则采样法,3,）,三相桥逆变电路,的情况,三角波载波公用，三相正弦调制波相位依次差,120,同一三角波周期内三相的脉宽分别为,d,U,、,d,V,和,d,W,，脉冲两边的间隙宽度分别为,d,U,、,d,V,和,d,W,，同一时刻三相调制波电压之和为零，由式,(6-6),得,由式,(6-7),得,利用以上两式可简化三相,SPWM,波的计算,(6-8),(6-9),（六）变频器的四种控制方式,变频器对电动机进行控制是根据电动机的特性参数及电动机运转要求，进行对电动机提供电压、电流、频率进行控制达到负载的要求。因此就是变频器的主电路一样，逆变器件也相同，单片机位数也一样，只是控制方式不一样，其控制效果是不一样的。所以控制方式是很重要的。它代表变频器的水平。目前变频器对电动机的控制方式大体可分为,U/f,恒定控制 ，转差频率控制，矢量控制，直接转矩控制。,1,、,U/f,恒定控制,U/f,控制是在改变电动机电源频率的同时改变电动机电源的电压，使电动机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的效率，功率因数不下降。因为是控制电压与频率之比，称为,U/f,控制。,恒定,U/f,控制存在的主要问题是（,1,）低速性能较差，转速极低时，电磁转矩无法克服较大的静摩擦力，不能恰当的调整电动机的转矩补偿和适应负载转矩的变化,;,（,2,）其次是无法准确的控制电动机的实际转速。由于恒,U/f,变频器是转速开环控制，由异步电动机的机械特性图可知，设定值为定子频率也就是理想空载转速，而电动机的实际转速由转差率所决定，所以,U/f,恒定控制方式存在的稳定误差不能控制，故无法准确控制电动机的实际转速。,2,、转差频率控制,在稳态情况下，当稳态气隙磁通恒定时，异步电机电磁转矩近似与转差角频率成正比。因此，控制,w,s,就相当于控制转矩。采用转速闭环的转差频率控制，使定子频率,w,1,=,w,r,+,w,s,，则,w,1,随实际转速,w,r,增加或减小，得到平滑而稳定的调速，保证了较高的调速范围。,转差频率控制就是通过控制转差频率来控制转矩和电流。转差频率控制需要检出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，然后以电动机速度与转差频率之和作为变频器的给定频率。与,U/f,控制相比，其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。另外，它有速度调节器，利用速度反馈构成闭环控制，速度的静态误差小。然而要达到自动控制系统稳态控制，还达不到良好的动态性能。,3,、矢量控制矢量控制，也称磁场定向控制。它是,70,年代初由西德,F.Blasschke,等人首先提出，以直流电机和交流电机比较的方法阐述了这一原理。由此开创了交流电动机和等效直流电动机的先河。,矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流,Ia,、,Ib,、,Ic,。通过三相,-,二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流,Ia1,、,Ib1,，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流,Im1,、,It1(Im1,相当于直流电动机的励磁电流 ，,It1,相当于直流电动机的电枢电流,),，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换实现对异步电动机的控制。矢量控制方法的出现，使异步电动机变频调速在电动机的调速领域里全方位的处于优势地位。但是，矢量控制技术需要对电动机参数进行正确估算，如何提高参数的准确性是一直研究的话题。,4,、直接转矩控制,1985,年，德国鲁尔大学的,DePenbrock,教授首次提出了直接转矩控制理论，该技术在很大程度上解决了矢量控制的不足，它不是通过控制电流，磁链等量间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。,转矩控制的优越性在于 ，转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息，控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好，所引入的定子磁链观测器能很容易估算出同步速度信息，因而能方便的实现无速度传感器，这种控制被称为无速度传感器直接转矩控制。,直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较,直接转矩控制系统与矢量控制系统都采用转矩和磁链分别控制。矢量控制系统强调转矩 与转子磁链的解耦 ，有利于分别设计转速与磁链调节器；实行连续控制，调速范围宽，可达,1,：,100;,按 定向时受电机转子参数影响，降低了适应性。,直接转矩控制系统则直接进行转矩砰,-,砰控制，避开了旋转坐标变换；控制定子磁链 ，而不是转子磁链，不受转子参数的影响；不可避免地产生转矩脉动，降低了调速性能，因此只适用于风机、水泵以及牵引传动等对调速范围要求不高的场合。,直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较,特点与性能,直接转矩控制系统,矢量控制系统,磁链控制,定子磁链,转子磁链,转矩控制,砰,-,砰控制，脉动,连续控制，平滑,旋转坐标变换,不需要,需要,转子参数变化影响,无,有,调速范围,不够宽,较宽,（七）四象限变频器,普通的变频器大都采用二极管整流桥将交流电转化成直流，然后采用,IGBT,逆变技术将直流转化成电压频率皆可调整的交流电控制交流电动机。这种变频器只能工作在电动状态，所以称之为两象限变频器。由于两象限变频器采用二极管整流桥，无法实现能量的双向流动，所以没有办法将电机回馈系统的能量送回电网。在一些电动机要回馈能量的应用中，比如电梯，提升，离心机系统，只能在两象限变频器上增加电阻制动单元。将电动机回馈的能量消耗掉。另外，在一些大功率的应用中，二极管整流桥对电网产生严重的谐波污染。,IGBT,功率模块可以实现能量的双向流动，如果采用,IGBT,做整流桥，用高速度、高运算能力的,DSP,产生,PWM,控制脉冲。一方面可以调整输入的功率因数，消除对电网的谐波污染，让变频器真正成为“绿色产品”。另一方面可以将电动机回馈产生的能量反送到电网，达到彻底的节能效果。,四象限变频器的工作原理,四象限变频器的电路原理图如图,1,所示。,图,1,四象限变频器的电路原理图,2.2,工作原理当电机工作在电动状态的时候，整流控制单元的,DSP,产生,6,路高频的,PWM,脉冲控制整流侧的,6,个,IGBT,的开通和关断。,IGBT,的开通和关断与输入电抗器共同作用产生了与输入电压相位一致的正弦电流波形，这样就消除了二极管整流桥产生的,6K1,谐波。功率因数高达,99%,，消除了对电网的谐波污染。此时能量从电网经由整流回路和逆变回路流向电机，变频器工作在第一、第三象限。输入电压和输入电流的波形如图,2,所示。,图,2,输入电压和输入电流的波形,当电动机工作在发电状态的时候，电机产生的能量通过逆变侧的二极管回馈到直流母线，当直流母线电压超过一定的值，整流侧能量回馈控制部分启动，将直流逆变成交流，通过控制逆变电压相位和幅值将能量回馈到电网，达到节能的效果。此时能量由电机通过逆变侧、整流侧流向电网。变频器工作在二、四象限。输入电抗器的主要功能是电流滤波。回馈电流和电网电压波形如图,3,所示：,图,3,回馈电流和电网电压波形,三、变频器的保护功能,1.,过电流保护功能,1.1,过电流的原因,（,1,）外部故障引起的过电流。如电动机堵转、变频器输出侧短路等。,（,2,）运行过电流。如加速或减速时间过短引起的过电流等。,（,3,）变频器自身故障引起的过电流。,变频器的保护功能,1.2,变频器对过电流的处理,变频器将首先根据电流上升的“陡度”来判断是否出现短路或接地，如果是，则立即跳闸；如果不是短路，而属于运行过电流，则首先进行自处理，在自处理不能使电流下降的情况下，则跳闸。,自处理方法：当电流超过设定值时，变频器首先将工作频率适当降低，到电流低于设定值时，工作频率再逐渐恢复。,变频器的保护功能,2.,过载保护功能,过载保护功能是保护电动机过载的。从根本上说，对电动机进行过载保护的目的，是使电动机不因过热而烧坏。因此，进行保护的主要依据便是电动机的温升不 应超过其额定值。,2.1,发热保护的反时限特性,电动机的热保护功能应该具有反时限特性。即，电动机的运行电流越大，保护动作的时间越短。,变频器的保护功能,2.2,温升与频率的关系,电动机在低频运行时，如没有外部强迫通风，散热情况将变差。,2.3,变频器中的电子热保护功能。,电子热保护功能主要特点有：,（,1,）具有反时限特性。,（,2,）在不同的 运行频率下有不同的保护曲线，频率越低，允许连续运行的时间越短。,变频器的保护功能,3.,电压保护功能,3.1,过电压的原因和保护,（,1,）电源过电压。当电源过电压时，可利用变频器的 “自动电压调整” 功能，使输出的平均电压维持恒定。但电压太高，电动机侧电压脉冲的幅值过高，对电动机绕组的绝缘不利，必须跳闸，进行保护。,降速过电压。即降速过快引起的过电压，变频器将首先进行自处理，如自处理后电压仍偏高，则跳闸。,变频器的保护功能,3.2,欠电压的原因及保护,发生欠电压的原因大致有以下几种情况：,（,1,）电源电压过低或缺相。,（,2,）变频器的整流桥损坏。,（,3,）变频器整流后的限流电阻未切除电路。这是由于和限流电阻并联的晶闸管或继电器发生故障所致。,对于电源欠电压，如运行频率低于,50Hz,，变频器可在一定范围内通过“自动电压调整” 功能调整其输出电压。对于其他几种情况，变频器必须跳闸，进行保护。,变频器的保护功能,4.,其他保护功能,4.1,模块的过热保护,逆变模块除是关键器件外还因为它累计损耗功率较大，是主要的发热器件，因此变频器内部最需要进行发热保护的部件是逆变模块，变频器内设置了温度检测环节，当温度超过一定值，变频器将跳闸。,变频器的保护功能,4.2,软件的自检保护,由于变频器软件系统的运算错误有可能导致十分严重的后果，因此变频器对自身的软件具有完善的自检系统，一旦软件运算出错，将立即跳闸。,4.3,接受外部故障信号的保护。,变频器的输入控制端中，有,12,个专门接受外部故障信号的 端子，拖动系统中任何需要保护的信号，都可以接到该端子上。变频器在接到外部故障信号时，将立即跳闸，进行保护。,四、变频器的干扰及防止,在工农业生产中，生产机械对拖动设备的调速性能有了很高的要求， 而变频调速以其优越的调速能在调速系统中占有很大的比重，但变频器在工作过程中会产生高频的谐波电流，这些高次谐波电流不但增加了输入侧的无功功率、降低功率因数，而且这些频率较高的谐波电流将以各种方式把能量传播出去，形成对其它设备的干扰信号。,1,、变频器产生干扰的原因,变频器输入和输出电流中具有高次谐波成分，是变频器产生干扰信号的根本原因。,(1),变频器的输入电流中的高次谐波成分除了影响功率因数外，也可能对其它设备形成干扰。,(2),由于绝大多数逆变桥都采用,SPWM,调制方式，其输出电压为占空比按正弦规律分布的系列矩形波，而由于电机定子绕组的电感性质，其定子电流十分接近正弦波，但其中与载波频率相等的谐波分量仍较大。,2,、干扰信号的传播方式,2.1,电路传导方式,(1),通过电网传播：是变频器输入电流干扰信号的主要传播方式。,(2),通过漏电流传播是变频器输出侧电流干扰信号的主要传播方式。,2.2,感应耦合方式,当变频器的输入或输出电路与其它设备的电路挨得很近时，变频器的高次谐波信号将通过感应的方式耦合到其它设备中去。,感应的方式有,2,种,(1),电磁感应方式：是电流干扰信号的主要传播方式。,(2),静电感应方式：是电压干扰信号的主要传播方式。,2.3,空中辐射方式,频率很高的谐波分量具有向空中辐射电磁波的能力，从而对其它设备形成干扰，尤其对通信设备的干扰更为严重。,3,、变频调速系统的抗干扰措施,3.1,合理布线,合理布线能够在相当大程度上削弱干扰信号的强度，布线时应遵循以下原则,:,(1),远离原则：干扰信号的大小与受干扰控制线和干扰源之间距离的平方成反比,.,(2),相绞原则：,2,根控制线相绞，能够有效地抑制差模干扰信号。,(3),不平行原则：控制线如果和变频器的输入、输出线平行，则两者间的互感越大，分布电容也越大，故电磁感应和静电感应的干扰信号也越大，因此，控制线在空间上，应尽量和变频器的输入、输出线交叉，最好是垂直交叉。,3.2,削弱干扰源,(1),接入电抗器,变频器在电源输入侧接人电抗器，可使输入电流的波形大为改善，不但能够提高功率因数，还可以有效地削弱输入电流中的高次谐波成分对其它设备的干扰。,(2),接入滤波器,滤波器主要用于抑制具有辐射能力的频率很高的谐波电流，串联在变频器的输人输出电路中，滤波器主要由线圈和电容器组成。必须注意变频器输出侧的滤波器中，其电容器只能接在电机侧，且应串入电阻，以防止逆变管因电容器的充、放电而受到冲击。,(3),降低载波频率,变频器输出侧谐波电流的辐射能力、电磁感应和静电感应的能力都和载波频率有关，适当降低载波频率，对于抑制干扰是有利的。,3.3,对线路进行屏蔽,屏蔽的主要作用是吸收和削弱高频电磁场。屏蔽的主要方式有：,(1),主电路的屏蔽主要是吸收和削弱干扰源向外辐射的能力。变频器到电机之间的连接线，应尽量穿人金属管，金属管应接地。,(2),控制电路的屏蔽主要是防止外来的干扰信号窜人控制电路。控制电路的屏蔽，常用的方法是采用屏蔽线。当控制线和变频器相接时，屏蔽层可不用接地，而只需将其中的一端接至变频器的信号公共端即可。,3.4,隔离干扰信号,隔离技术主要用于把已经窜人线路的干扰信号阻隔掉，主要的方式有：,(1),电源隔离：对于一些耗电量小的仪表设备，其电源可通过隔离变压器和电网进行隔离，以防止入电网的干扰信号进入仪器。,(2),信号隔离：信号隔离是设法使已经窜人控制线的干扰信号不进入仪器，隔离器件是采用线性光电耦合管。,3,5,准确接地,设备接地的主要目的是安全，但对于一些具有高频干扰信号的设备来说，也具有把高频干扰信号引入大地的功能，接地时，应注意以下几点：,(1),接地线应尽量地粗一些，接地点应尽量靠近变频器。,(2),接地线应尽量远离电源线。,(3),变频器所用的接地线，必须和其它设备的接地线分开；必须避免把所有设备的接地线连接在一起后再接地。,(4),变频器的接地端子不能和电源的“零线”相接。,五、变频器应用,（一）变频器的应用范围已越来越广泛，有,1,、在电梯上的应用,2,、在水泵、风机控制方面的应用,3,、在机床、起重机方面的应用,4,、在机电设备中的应用（空调设备，洗衣机、压缩机的变频器控制）,5,、在生产线上的应用（冶金、纺织、造纸、总线控制系统中的应用）,西门子系列、富士,FRENIC500-G9S,P9S,系列,三垦,Vsamco-Vm05,、安川,CIMR-G5A,